BADANIE OGNIWA FOTOWOLTAICZNEGO

Transkrypt

1 BADANIE OGNIWA FOTOWOLTAICZNEGO Wiadomości wprowadzające 1. Efekt fotoelektryczny Energia promieniowania elektromagnetycznego E przenoszona przez pojedynczy foton wyraża się w dżulach wzorem: E = c h/ gdzie: c prędkość światła w próżni ( m/s), h stała Plancka (6, J s), - długość fali promieniowania, m. Zgodnie z modelem pasmowym przewodnictwa elektrycznego przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa następuje wskutek dostarczenia energii E o : E o = e U o gdzie : e - wartość bezwzględna ładunku elektrycznego elektronu (1, C) U o potencjał pasma zabronionego, V. Energia wzbudzenia może pochodzić od fotonów promieniowania elektromagnetycznego pod warunkiem, że długość fali jest mniejsza od max: max = c h/( e U o ) Zatem intensywność efektu fotoelektrycznego wywoływanego przez promieniowanie elektromagnetyczne zależy od wartości U o, która przykładowo dla krzemu wynosi 1,08 V i wówczas max = 1,24 m. Oznacza to, że wówczas fotony których długość fal jest wyższa nie wywołają efektu fotoelektrycznego, natomiast dla długości fal niższych część energii fotonu (E - E o ) nie może być wykorzystana i jest zamieniana na ciepło. Praktyczne znaczenie ma efekt fotoelektryczny (fotowoltaiczny) wywoływany w półprzewodnikach domieszkowanych typu P i N ponieważ potencjał pasma zabronionego wynosi w nich zaledwie kilka setnych wolta. W monokrysztale półprzewodnika z wytworzonymi warstwami P i N powstaje złącze na granicy którego dochodzi do dyfuzji nośników większościowych : elektronów z obszaru N do P oraz dziur z obszaru P do N. W konsekwencji po stronie obszaru N zanikają elektrony swobodne, a pozostają jony dodatnie tworząc dodatni ładunek przestrzenny. Natomiast po stronie obszaru P pojawia się ujemny ładunek przestrzenny. Na złączu powstaje intensywne wewnętrzne pole elektryczne. Jeśli element zawierający złącze P-N zostanie poddany napromieniowaniu, którego fotony mają odpowiednią energię to w obu obszarach powstaną pary elektron-dziura i w ten sposób silnie wzrasta liczba nośników mniejszościowych (ujemnych w obszarze P, dodatnich w obszarze N). Wewnętrzne pole elektryczne złącza powoduje przemieszczanie nośników i w efekcie między powierzchniami bocznymi półprzewodnika domieszkowanego występuje napięcie.

2 Podłączenie do niego odbiornika oznacza przepływ prądu stałego i wydzielanie energii której moc zależy od energii fotonów i sprawności jej konwersji. 2. Komórki fotowoltaiczne Przemiana fotowoltaiczna jest jedynym znanym sposobem bezpośredniej konwersji promieniowania optycznego, a w szczególności promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Komórki fotowoltaiczne zwane także ogniwami mają postać płytek półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu krystalicznego (99,99% czystości) albo polikrystalicznego (98% czystości), w których zostały wytworzone złącza P-N. Krzem krystaliczny otrzymuje się drogą topienia w piecach i krystalizacji ukierunkowanej. Powstające w ten sposób blogi bądź wstęgi są następnie cięte na płytki i szlifowane. Grubość płytek zawiera się w granicach mikrometrów. Metalowe siatki umieszczone na ściankach przedniej i tylnej pełnią rolę elektrod zbierających prąd. Sprawność konwersji promieniowania słonecznego w przemianie fotowoltaicznej jest najwyższa dla ogniw wytworzonych ze związków takich jak arsenek galu (GaAs), fosforek galowo arsenowy (GaAsP), siarczek kadmu (CdS) i sięga wówczas 30%. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne w warunkach laboratoryjnych wykazują sprawności rzędu 24%, natomiast w warunkach naturalnych najwyżej 17%. Ze względu na wysokie koszty produkcji ogniw z krzemu krystalicznego rozwija się technologia cienkowarstwowa z wykorzystaniem krzemu amorficznego (a-si) i jego stopów (a-sige, a-sic). Krzem amorficzny jest napylany na tanie podłoża (szkło, stal, tworzywa sztuczne) w postaci warstw o grubości kilku mikrometrów, a moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i rozmiarach. Stosowanie bardzo cienkich warstw na dużej powierzchni pozwala znacznie zredukować całkowity koszt ogniwa fotowoltaicznego. Ogniwa cienkowarstwowe są jednak mniej wydajne od wykonywanych z krzemu krystalicznego - w warunkach laboratoryjnych osiąga się sprawność do 13%. Rys. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa komórki fotowoltaicznej Pracę pojedynczej komórki fotowoltaicznej opisuje charakterystyka prądowo-napięciowa I = f (U) (rys. 1). Na charakterystyce można wyróżnić trzy normatywne stany: jałowy gdy prąd obciążenia jest równy zeru (obwód otwarty), a napięcie ma maksymalną wartość U j (napięcie jałowe), zwarcia gdy prąd obciążenia osiąga wartość maksymalną I z (prąd zwarcia), a napięcie spada do zera,

3 obciążenia optymalnego gdy moc ogniwa osiąga wartość maksymalną P max czemu odpowiadają określone wartości napięcia i prądu (U p, I p ). Wartości U j, I z, U p, I p oraz P max zależą od wartości natężenia promieniowania słonecznego, a w szczególności zmienia się napięcie przy którym moc jest maksymalna. Temperatura pracy ogniwa wpływa negatywnie na osiągane parametry. Wprawdzie wraz ze wzrostem temperatury o 1 K prąd zwarcia wzrasta o ok. 1%, ale spada napięcie i w efekcie następuje spadek mocy rzędu 0,4%. Pojedyncza komórka jest w stanie podać napięcie na poziomie 0,5 V generując moc 1 2 W. 3. Moduły fotowoltaiczne Energia produkowana przez pojedyncze ogniwo jest zbyt mała dla większości ewentualnych zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są galwanicznie szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny o powierzchni od 0,3 do 1 m 2. Całość osłania się szybą z warstwą antyrefleksyjną i hermetyzuje, aby uchronić ogniwa przed wilgocią i korozją. Napięcia znamionowe U n są znormalizowane i wynoszą 12 albo 24 V. Znamionowa moc modułów P n wyrażana jest w watach mocy szczytowej Wp (watt peak), zdefiniowanych jako moc dostarczana przez nie w warunkach standardowych za które w normach energetycznych dla fotowoltaiki przyjęto: natężenie promieniowania słonecznego 1000 W/m 2, wysokość słońca 41,7 o (wskaźnik drogi optycznej promieni przez atmosferę AM = 1,5), kierunek padania promieniowania bezpośredniego na moduł prostopadły, temperatura otoczenia 25 C. W takich też warunkach wykonuje się standardową charakterystykę prądowo- napięciowo modułu, której kształt jest zbliżony do charakterystyki pojedynczej komórki. Normy jakościowe przewidują szereg testów gwarantujących trwałość i niezawodność modułów i służą do kontroli wytrzymałości: elektrycznej, cieplnej, statycznej, udarowej oraz na działanie wilgoci, wiatru i piasku. W praktyce moduły rzadko pracują przy warunkach standardowych, zatem pożądane jest wyznaczenie charakterystyk wydajności modułu w szerokim zakresie warunków pracy (rys. 2). Sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego w modułach z krzemu krystalicznego w warunkach zbliżonych do standardowych wynosi 14 15%, podczas gdy większość dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu amorficznego ma sprawności 6 8%, z tym, że jak już wspomniano są znacznie tańsze i wygodne w eksploatacji. Rys. 2. Charakterystyka standardowa modułu fotowoltaicznego, wg

4 Przykładowe dane techniczne modułów z 36 komórkami z krzemu krystalicznego o nominalnym napięciu U n =12 V zawiera tabela 1. Tabela 1. Dane techniczne przykładowych modułów fotowoltaicznych, wg Typ modułu Moc nominalna P n Napięcie jałowe U j Charakterystyka elektryczna Prąd zwarcia I z Napięcie obciążenia U p Prąd obciążenia I p Charakterystyka mechaniczna Długość Szerokość Masa W V A V A mm mm kg SM ,8 0,64 17,2 0, ,3 SM ,8 1,93 17,3 1, ,7 SM ,9 2,78 17,6 2, ,2 AS 8005 AP ,5 4,95 17,3 4, , ,7 16,9 7, ,9 4. Zastosowania modułów i paneli fotowoltaicznych Impulsem do rozwoju technologii fotowoltaicznej było zasilanie satelitów i statków kosmicznych. Postęp techniczny już w latach sześćdziesiątych XX wieku pozwolił na wykorzystanie systemów fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych. Ogniwa fotowoltaiczne są używane w trzech podstawowych obszarach: elektronice użytkowej, wolnostojących systemach atonomicznych, systemach dołączonych do sieci elektronergetycznej. Do powszechnych zastosowań należy zasilanie zegarków, kalkulatorów, radia itp. z wykorzystaniem ogniw małej mocy z krzemu amorficznego. Decydującą zaletą jest w tym przypadku nieograniczana mobilność użytkownika, a sprawność konwersji energii słonecznej nie ma większego znaczenia. Wolnostojące systemy autonomiczne o mocy od kilkunastu W do kilku tysięcy W są najczęściej używane w obiektach oddalonych od sieci elektroenergetycznej, gdzie inne sposoby wytwarzania energii elektrycznej są drogie bądź uciążliwe dla środowiska. Do obiektów takich należą: - podświetlane znaki drogowe, - przekaźnikowe stacje telekomunikacyjne, - stacje meteorologiczne, - znaki nawigacyjne, - telefony awaryjne na autostradach, - latarnie morskie, - jachty i łodzie wędkarskie. System fotowoltaiczny zasilający autonomicznie obiekt składa się z: modułów łączonych ewentualnie w większe pola - panele, akumulatorów wraz z kontrolerami ładowania

5 (chroniącymi przed nadmiernym naładowaniem i rozładowaniem akumulatora) oraz ewentualnych przetwornic na prąd zmienny (falowników). Akumulatory muszą mieć wystarczająco dużą pojemność, aby zapewnić dostarczanie energii w nocy oraz w okresach niskich sum napromienienia słonecznego. Systemy fotowoltaiczne mogą również autonomicznie zasilać w energię elektryczną budynki z różnych względów nie podłączone do sieci elektroenergetycznej. W polskich warunkach klimatycznych (niskie sumy napromienienia słonecznego w okresie chłodnym) dotyczy to raczej obiektów sezonowych. Systemy dołączone do sieci elektroenergetycznej mogą zasilać obiekty w ten sposób, że energię z sieci pobiera się tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie przewyższa produkcję w modułach fotowoltaicznych, a w sytuacji odwrotnej energia z systemu oddawana jest do sieci. Akumulatory w tym rozwiązaniu nie są potrzebne. Jednak dublowanie zasilania z sieci publicznej, pomimo, że koszt systemów fotowoltaicznych stale spada, jeszcze przez wiele lat nie znajdzie ekonomicznego uzasadnienia. Rys. 3. System fotowoltaiczny dołączony do sieci Systemy dołączone do sieci elektroenergetycznej jako źródła do produkcji energii elektrycznej na skalę przemysłową nazywane są wprost elektrowniami fotowoltaicznymi. Największe systemy tego typu osiągają moc rzędu MW, jednakże ich sprawność globalna jest w granicach 5 7 %. Instrukcja szczegółowa Celem ćwiczenia jest wyznaczenie parametrów elektroenegetycznych modułu fotowoltaicznego wykonanego z krzemu krystalicznego w warunkach sztucznego naświetlania pochodzącego ze źródeł żarowych i wyładowczych. Procedury opisane poniżej należy powtórzyć dla źródeł światła wskazanych przez prowadzącego. 1. Opis płaszczyzny modułu fotowoltaicznego Należy określić powierzchnię brutto S br modułu według jego obrysu zewnętrznego, a następnie powierzchnię netto S nt modułu obejmującą tylko komórki fotowoltaiczne. Wyniki zamieścić w tabeli U.

6 2. Wyznaczanie natężenia oświetlenia modułu Źródło światła umieszczone w oprawie należy zawiesić na wysięgniku nad stołem pomiarowym na wysokości zaleconej przez prowadzącego. Układ pomiarowy (rys. H) obejmuje autotransformator zasilający oraz zestaw mierników do pomiarów w obwodach jednofazowych prądu zmiennego oraz luksomierz do pomiaru natężenia oświetlenia na płaszczyźnie modułu fotowoltaicznego. Po włączeniu zasilania należy ustawić wartość napięcia odpowiadającą napięciu znamionowemu źródła światła. Po ustaleniu się parametrów elektrycznych odczytać moc P pobieraną przez źródło i przystąpić do wyznaczenia średniej wartości natężenia oświetlenia modułu. W tym celu na płaszczyźnie modułu trzeba rozmieścić symetryczną siatkę złożoną z minimum 12 węzłów. Pomiary natężenia oświetlenia wyrażanego w luksach wykonać we wszystkich węzłach, a wyniki wraz z wyliczeniem wartości średniej arytmetycznej E sr zamieścić w tabeli 2. Korzystając z danych na temat powierzchni modułu obliczyć strumień świetlny na jego płaszczyźnie (brutto i netto) wyrażany w lumenach zgodnie z zależnością: = E sr S Stosując przybliżony współczynnik przeliczeniowy (tab. 3) strumienia świetlnego na moc charakterystyczny dla danego źródła światła należy obliczyć moc napromienienia modułu brutto P mbr oraz netto P mnt. Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń napromienienia modułu fotowoltaicznego S br =..., S nt =... Wielkość Jednostka Rodzaj źródła światła żarówka lampa rtęciowa lampa sodowa Moc elektryczna źródła, P W Punktowe natężenie oświetlenia, E n Lx Średnie natężenie oświetlenia, E śr Strumień świetlny brutto, br Strumień świetlny netto, nt Moc napromienienia modułu brutto, P mbr Moc napromienienia modułu netto, P mnt Lx lm lm W W Tabela 3. Współczynniki przeliczeniowe strumienia świetlnego wyrażanego w lumenach na moc wyrażaną w watach Rodzaj źródła światła Współczynnik Żarówka 0,0040 Niskoprężna lampa rtęciowa 0,0030 Wysokoprężna lampa - rtęciowa - sodowa 0,0029 0,0023 Słoneczne 0,005-0,010

7 3. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej modułu fotowoltaicznego Do zacisków modułu należy podłączyć obciążenie w postaci opornika dekadowego wraz z układem pomiarowym złożonym z amperomierza i woltomierza prądu stałego (rys. H). Rezystancję opornika zmieniać w zakresie od zera (stan jałowy charakteryzowany napięciem U j ) do wartości przy której napięcie spada do zera (stan zwarcia charakteryzowany prądem I z ). Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 4, a następnie obliczyć moc modułu P v jako iloczyn napięcia i natężenia prądu. Sprawność modułu brutto br oraz netto nt wyznaczyć z zależności : br = P v / P mbr ; nt = P v / P mnt Tabela 4. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej oraz sprawności modułu fotowoltaicznego Źródło żarowe Lampa rtęciowa Lampa sodowa U j = ; I z = U j = ; I z = U j = ; I z = I U P v br nt I U P v br nt I U P v br nt A V W % % A V W % % A V W % % Na podstawie wyników zamieszczonych w tabeli 4 należy wykreślić charakterystyki prądowo-napięciowe oraz charakterystyki mocy i sprawności w funkcji prądu obciążenia badanego modułu.